TÁI TỔ HỢP ĐỒNG LOẠI: CHỨC NĂNG, CƠ CHẾ VÀ ỨNG DỤNG - SINH HỌC - 2025

Các tái tổ hợp tương đồng là một quá trình có liên quan đến việc trao đổi của các phân tử DNA giữa các phần tương tự hoặc giống hệt nhau của bộ gen. Tế bào sử dụng tái tổ hợp tương đồng chủ yếu để sửa chữa các điểm đứt gãy trong vật chất di truyền, tạo ra sự biến đổi di truyền trong quần thể.

Nói chung, tái tổ hợp tương đồng bao gồm sự kết đôi vật lý giữa các vùng tương đồng của vật liệu di truyền, tiếp theo là sự phá vỡ các chuỗi sẽ trải qua quá trình trao đổi, và cuối cùng là sự kết hợp của các phân tử DNA kết hợp mới.

Sự tái tổ hợp giữa hai nhiễm sắc thể tương đồng.
Nguồn: Emw

Các vết đứt gãy trong DNA phải được sửa chữa càng nhanh càng tốt và hiệu quả. Khi hư hỏng không được sửa chữa, hậu quả có thể nghiêm trọng và thậm chí gây chết người. Ở vi khuẩn, chức năng chính của tái tổ hợp tương đồng là sửa chữa những đứt gãy này trong vật liệu di truyền.

Tái tổ hợp tương đồng được coi là một trong những cơ chế chính cho phép sự ổn định của bộ gen. Nó hiện diện trong tất cả các lĩnh vực của sự sống và ngay cả trong virut, vì vậy nó có lẽ là một cơ chế quan trọng xuất hiện rất sớm trong quá trình tiến hóa của sự sống.

Quan điểm lịch sử

Một trong những nguyên tắc phù hợp nhất do Gregor Mendel đề xuất bao gồm tính độc lập trong việc phân tách các nhân vật. Theo quy luật này, các gen khác nhau được truyền từ cha mẹ sang con cái một cách độc lập.

Tuy nhiên, vào năm 1900, sự tồn tại của các ngoại lệ rất rõ ràng đối với nguyên tắc này đã được hiển nhiên. Các nhà di truyền học người Anh Bateson và Punnett đã chỉ ra rằng nhiều lần một số đặc điểm nhất định được di truyền cùng nhau, và đối với những đặc điểm này, nguyên tắc do Mendel đưa ra không có giá trị.

Nghiên cứu tiếp theo đã tìm cách làm sáng tỏ sự tồn tại của quá trình tái tổ hợp, nơi các tế bào có khả năng trao đổi vật chất di truyền. Trong trường hợp các gen di truyền cùng nhau, DNA không được trao đổi do sự gần gũi về mặt vật lý giữa các gen.

Tái tổ hợp tương đồng là gì?

Tái tổ hợp tương đồng là một hiện tượng tế bào liên quan đến sự trao đổi vật chất của chuỗi DNA giữa hai nhiễm sắc thể. Tái tổ hợp liên quan đến một tập hợp các gen được gọi là gen rec. Những mã này mã hóa cho các enzym khác nhau tham gia vào quá trình này.

Các phân tử DNA được coi là "tương đồng" khi chúng chia sẻ trình tự giống nhau hoặc giống hệt nhau của hơn 100 cặp bazơ. DNA có các vùng nhỏ có thể khác nhau và các biến thể này được gọi là các alen.

Trong cơ thể sống, tất cả DNA đều được coi là DNA tái tổ hợp. Sự trao đổi vật chất di truyền giữa các nhiễm sắc thể diễn ra liên tục, trộn lẫn và sắp xếp lại các gen trên các nhiễm sắc thể.

Quá trình này xảy ra rõ ràng trong bệnh meiosis. Cụ thể là ở pha mà các nhiễm sắc thể bắt cặp trong lần phân bào đầu tiên. Trong giai đoạn này xảy ra sự trao đổi vật chất di truyền giữa các nhiễm sắc thể.

Trong lịch sử, quá trình này được chỉ định trong tài liệu bằng cách sử dụng từ Anglo-Saxon giao nhau. Sự kiện này là một trong những kết quả của tái tổ hợp tương đồng.

Tần số lai giữa hai gen của cùng một nhiễm sắc thể phụ thuộc chủ yếu vào khoảng cách tồn tại giữa chúng; khoảng cách vật lý giữa chúng càng nhỏ thì tần số trao đổi càng thấp.

Chức năng và hậu quả của tái tổ hợp tương đồng

Vật chất di truyền thường xuyên bị tổn thương do các nguồn nội sinh và ngoại sinh, chẳng hạn như bức xạ, gây ra.

Các tế bào của con người được ước tính có một số lượng DNA tổn thương đáng kể, theo thứ tự hàng chục đến hàng trăm mỗi ngày. Những tổn thương này cần được sửa chữa để tránh các đột biến có hại tiềm ẩn, các khối sao chép và phiên mã, và tổn thương ở cấp độ nhiễm sắc thể.

Theo quan điểm y học, tổn thương DNA không được sửa chữa chính xác dẫn đến sự phát triển của các khối u và các bệnh lý khác.

Tái tổ hợp tương đồng là một sự kiện cho phép sửa chữa DNA, cho phép khôi phục các trình tự đã mất, sử dụng sợi DNA (tương đồng) khác làm khuôn mẫu.

Quá trình trao đổi chất này hiện diện trong tất cả các dạng sống, cung cấp một cơ chế trung thực cao cho phép sửa chữa các "khoảng trống" trong DNA, đứt gãy sợi đôi và liên kết chéo giữa các sợi DNA.

Một trong những hệ quả liên quan nhất của tái tổ hợp là tạo ra biến dị di truyền mới. Cùng với đột biến, chúng là hai quá trình tạo ra sự biến đổi trong cơ thể sống - hãy nhớ rằng sự biến đổi là nguyên liệu cho quá trình tiến hóa.

Ngoài ra, nó cung cấp một cơ chế để thiết lập lại các nhánh sao chép đã bị hỏng.

Trong vi khuẩn

Ở vi khuẩn thường xuyên xảy ra hiện tượng chuyển gen theo chiều ngang. Chúng được phân loại là liên hợp, biến đổi và tải nạp. Ở đây, sinh vật nhân sơ lấy DNA từ một sinh vật khác, và thậm chí từ các loài khác nhau.

Trong các quá trình này, sự tái tổ hợp tương đồng xảy ra giữa tế bào nhận và tế bào cho.

Cơ chế

Sự tái tổ hợp tương đồng bắt đầu bằng sự đứt gãy một trong các sợi của phân tử ADN nhiễm sắc thể. Sau đó, một loạt các bước được xúc tác bởi nhiều enzym sẽ xảy ra.

Đầu 3 'nơi xảy ra sự cắt bị xâm nhập bởi sợi kép tương đồng của DNA. Quá trình xâm lược là rất quan trọng. Theo "chuỗi tương đồng", chúng ta có nghĩa là các phần của nhiễm sắc thể có các gen giống nhau theo thứ tự tuyến tính, mặc dù trình tự nucleotit không nhất thiết phải giống nhau.

Synapse

Sự xâm nhập của sợi này đặt các nhiễm sắc thể tương đồng đối diện nhau. Hiện tượng gặp gỡ các chủ đề này được gọi là khớp thần kinh (đừng nhầm với khớp thần kinh trong tế bào thần kinh, ở đây thuật ngữ này được dùng với một nghĩa khác).

Synapse không nhất thiết ngụ ý sự tiếp xúc trực tiếp giữa cả hai trình tự tương đồng, DNA có thể tiếp tục di chuyển trong một thời gian cho đến khi tìm thấy phần tương đồng. Quá trình tìm kiếm này được gọi là liên kết tương đồng.

Hình thành vòng lặp D

Sau đó, một sự kiện được gọi là "cuộc xâm lược sợi" xảy ra. Nhiễm sắc thể là một chuỗi xoắn kép của DNA. Trong tái tổ hợp tương đồng, hai nhiễm sắc thể tìm kiếm trình tự tương đồng của chúng. Trong một trong các vòng xoắn, các sợi tách ra và sợi này "xâm nhập" vào cấu trúc xoắn kép, tạo thành cấu trúc được gọi là vòng lặp D.

Sợi vòng D đã bị thay thế bởi sự xâm nhập của sợi đứt và kết đôi với sợi bổ sung của chuỗi xoắn kép ban đầu.

Hình thành đường giao nhau Holliday

Bước tiếp theo là sự hình thành của các nghiệp đoàn Holliday. Ở đây, các đầu của các sợi được trao đổi được gắn với nhau. Công đoàn này có khả năng di chuyển theo bất kỳ hướng nào. Mối nối có thể bị gãy và hình thành nhiều lần.

Quá trình tái tổ hợp cuối cùng là sự phân giải của các hợp nhất này và có hai cách hoặc nhiều cách mà tế bào đạt được điều này. Một trong số đó là sự phân cắt của sự hợp nhất hoặc bằng một quá trình gọi là sự hòa tan, điển hình của các sinh vật nhân thực.

Trong cơ chế đầu tiên, việc phá vỡ mối nối Holliday sẽ tái tạo hai chuỗi. Trong sự kiện "giải thể" kia, một kiểu đổ vỡ xảy ra trong công đoàn.

Protein liên quan

Một protein quan trọng trong quá trình tái tổ hợp được gọi là Rad51 trong tế bào nhân thực, và RecA trong Escherichia coli. Nó hoạt động trong các giai đoạn tái tổ hợp khác nhau: trước, trong và sau khớp thần kinh.

Protein Rad51 tạo điều kiện hình thành kết nối vật lý giữa DNA xâm nhập và DNA được ủ. Trong quá trình này, DNA heteroduplex được tạo ra.

Rad51, và đối tác RecA của nó, xúc tác việc tìm kiếm DNA tương đồng và trao đổi các sợi DNA. Các protein này có khả năng liên kết hợp tác với DNA băng đơn.

Ngoài ra còn có các gen mô tả (có nguồn gốc từ các sự kiện sao chép gen trong một dòng sinh vật) của Rad51, được gọi là Rad55 và Rad57. Ở người, năm gen mô tả Rad51 đã được xác định được gọi là Rad51B, Rad51C, Rad51D, Xrcc2 và Xrcc3.

Dị thường liên quan đến quá trình tái tổ hợp

Vì sự tái tổ hợp đòi hỏi sự liên kết vật lý trên các nhiễm sắc thể, đây là một bước quan trọng trong việc phân ly hợp lý trong quá trình meiosis. Nếu sự tái tổ hợp thích hợp không xảy ra, kết quả có thể là bệnh lý lớn.

Sự không tiếp hợp của các nhiễm sắc thể hoặc sai sót trong sự phân ly là một trong những nguyên nhân thường xuyên nhất gây ra sẩy thai và các bất thường về nguồn gốc nhiễm sắc thể, chẳng hạn như tam nhiễm sắc thể 21, gây ra hội chứng Down.

Mặc dù tái tổ hợp thường là một quá trình khá chính xác, các vùng của bộ gen được lặp đi lặp lại và các gen có nhiều bản sao trong toàn bộ bộ gen dễ bị trao đổi chéo không đồng đều.

Sự giao phối này tạo ra các đặc điểm lâm sàng khác nhau, bao gồm các bệnh phổ biến như thalassemia và tự kỷ.

Ứng dụng tái tổ hợp

Các nhà sinh học phân tử đã tận dụng kiến ​​thức về cơ chế tái tổ hợp tương đồng để tạo ra các công nghệ khác nhau. Một trong số này cho phép tạo ra các sinh vật "loại trực tiếp".

Những sinh vật biến đổi gen này có thể làm sáng tỏ chức năng của một gen quan tâm.

Một trong những phương pháp được sử dụng để tạo ra các loại gen bao gồm ngăn chặn sự biểu hiện của gen cụ thể bằng cách thay thế gen ban đầu bằng một phiên bản sửa đổi hoặc "bị hư hỏng". Gen được trao đổi cho phiên bản đột biến bằng phương pháp tái tổ hợp tương đồng.

Các kiểu tái tổ hợp khác

Bên cạnh sự tái tổ hợp tương đồng hoặc hợp pháp, còn có những kiểu trao đổi vật chất di truyền khác.

Khi các vùng trao đổi vật chất của ADN không alen (các nhiễm sắc thể tương đồng) thì kết quả là sự nhân đôi hoặc giảm phân của gen. Quá trình này được gọi là tái tổ hợp không tương đồng hoặc tái tổ hợp không bình đẳng.

Cùng nhau, vật chất di truyền cũng có thể được trao đổi giữa các chromatid chị em trên cùng một nhiễm sắc thể. Quá trình này xảy ra trong cả phân bào sinh học và phân bào, và được gọi là trao đổi không bình đẳng.

Người giới thiệu

1. Baker, TA, Watson, JD, & Bell, SP (2003). Sinh học phân tử của gen. Công ty xuất bản Benjamin-Cummings.
2. Devlin, TM (2004). Hóa sinh: sách giáo khoa với các ứng dụng lâm sàng. Tôi đã đảo ngược.
3. Jasin, M., & Rothstein, R. (2013). Sửa chữa đứt sợi bằng cách tái tổ hợp tương đồng. Các quan điểm của Cold Spring Harbor trong sinh học, 5 (11), a012740.
4. Li, X., & Heyer, WD (2008). Tái tổ hợp tương đồng trong việc sửa chữa DNA và khả năng chịu tổn thương DNA. Nghiên cứu tế bào, 18 (1), 99-113.
5. Murray, PR, Rosenthal, KS và Pfaller, MA (2017). Vi sinh y tế. Khoa học sức khỏe Elsevier.
6. Nussbaum, RL, McInnes, RR & Willard, HF (2015). Thompson & Thompson di truyền trong sách điện tử y học. Khoa học sức khỏe Elsevier.
7. Virgili, RO, & Taboada, JMV (2006). Bộ gen người: những tiến bộ mới trong nghiên cứu, chẩn đoán và điều trị. Phiên bản Đại học Barcelona.